黄土覆盖层水–气耦合运移土柱试验及数值模拟

基于水分储存与释放机理的土质覆盖层在干旱和半干旱地区垃圾填埋场具有较好的应用前景。前人研究土质覆盖层大多侧重于其雨水存储及防渗性能,忽略了填埋气在覆盖层中的运移及其影响。通过在黄土土柱底部通入甲烷和二氧化碳等比例混合气体模拟填埋气在覆盖层运移,在土柱顶部施加3 cm常水头模拟雨水入渗对黄土覆盖层中气压分布以及各气体组分分布的影响。基于试验结果,利用商业软件Geo-Studio中的Air/W模块对黄土覆盖层水–气耦合运移进行了数值模拟与分析。研究结果表明:模拟雨水入渗降低了上层黄土的导气系数,导致土柱中气压显著增加,呈现出先增加至"突破值"然后回落至"稳定值";气压"突破值"约等于上部土体进气值;数值模拟能较好地模拟水分入渗过程并捕捉到气压变化趋势,但由于其无法模拟多组分填埋气在土柱中的复杂物理过程,导致气压的模拟结果与实测值存在差距。本文为更准确模拟分析土质覆盖层中水与填埋气耦合运移过程提供了一些建议。     

分层填埋垃圾体中气体一维稳态运移规律

针对垃圾填埋场分层填埋特点,提出了填埋垃圾产气率和导气系数分层计算方法,建立了分层填埋垃圾体中气体一维稳态运移分析模型,分析了垃圾的产气率、导气系数和封顶覆盖层的气密性对气压力大小及分布的影响,并探讨了垃圾填埋龄期对气压力分布的影响规律。分析结果表明:对于均质垃圾体,产气率与导气系数的比值越大,则填埋气压力越大;对于含封顶覆盖层的垃圾体,产气率主要控制气压力大小,导气系数控制气压力沿填埋深度分布梯度。封顶覆盖层厚度的增加或其导气系数的降低将使填埋气释放量减少,则气压力整体提高。垃圾填埋龄期越大,则垃圾体中气压力越小。     

植被对土质覆盖层水分运移和存储影响试验研究

植被在土质覆盖层水分存储–释放环节中扮有重要的角色,对防渗能力有重要的影响。在填埋场现场建设了大尺寸黄土土质覆盖层试验基地(长×宽:30m×20m),在基地不同测试区种植了植被并进行了土质覆盖层现场降雨试验。实测验证了黄土土质覆盖层最大储水能力;分析了有植被条件下黄土土质覆盖层水分运移和渗透特性;对比了植被条件对覆盖层水分运移和储水能力的影响。结果表明:①有植被条件黄土土质覆盖层可用储水量理论值Sfac为278.32 mm,实测值Sf?ac为259.82 mm,实测值比理论值小18.50 mm(小6.65%);②植被种植增大了根系生长区的渗透系数,无植被条件饱和渗透系数ks为8.27×10-5 cm/s,有植被条件饱和渗透系数ks大于8.27×10-5 cm/s。无植被时水分首先在覆盖层浅部土层存储,随着降雨的继续逐渐下渗至深层土;有植被时水分在土层全断面存储;③须根系、初期植被条件对毛细阻滞覆盖层储水能力影响较小。有植被条件实测可用储水量Sf?ac为259.82 mm,无植被条件为251.95mm,前者仅比后者大7.87 mm(大3.12%)。有植被条件实测总储水量Sf?ac为381.90 mm,无植被条件为374.03 mm,前者比后者大7.87 mm(大2.10%)。有、无植被条件黄土土质覆盖层储水能力接近,一方面是由于须根植被根系深度分布较浅(0～50 cm);另一方面是由于植被生长时间短未能经历一个完整的生长周期对土体结构影响不显著。     

气体分布规律的试验研究

通过二氧化碳气体模拟可燃气体在共同沟内泄漏的模型试验,分析了气体释放量、释放时间和测量距离对气体摩尔组分浓度分布规律的影响,建立了气体摩尔组分浓度在共同沟内分布规律的计算公式,计算结果表明公式的精度能够满足工程要求,为带有燃气的共同沟安全设计提供了试验依据。     

挥发性气体通过填埋场复合覆盖层的一维扩散解析解

为了评价填埋场覆盖层对挥发性气体的防渗性能,建立了挥发性气体在复合覆盖层中的扩散运移模型并采用分离变量法获得了模型解析解。解析解的计算结果与数值解结果吻合得较好。分析结果表明,对于土工膜/土工复合膨润土垫（GM/GCL）与土工膜/压实黏土（GM/CCL）组成的覆盖层,覆盖层顶部气体扩散达到稳态的时间比较接近,约为1.6 a;对于压实黏土（CCL）系统达到稳定状态的时间为0.5 a;稳态时通量依次为6.0×10⁵,1.0×10⁶和7.4×10⁵ mg/ha/a。在这3个覆盖层系统中,GM/CCL对气体扩散的控制性能最差。对于GM/GCL,GCL含水饱和度从0.85增加到1时,覆盖层顶部通量减小了82.5%。饱和时GM/GCL系统顶部气体达到稳态的时间是非饱和情况下的约100倍。对于GM/CCL,CCL含水饱和度从0.1增加到0.85时,覆盖层顶部通量减小了近1个数量级。含水饱和度的变化可导致覆盖层顶部挥发性气体稳态时通量发生数量级的变化。     

环境科学中的渗流力学问题

针对环境科学研究中的渗流力学问题,从环境科学理论和渗流力学理论出发,探讨了挥发性有机污染物在土壤中的迁移机制和规律、地下水多组分反应溶质的迁移模型和规律;分析了垃圾填埋场气体迁移和二次污染问题。在此基础上,提出了挥发性有机物的迁移过程及控制机制的不确定性的两个方面和多组分水化学模型与水动力迁移模型的耦合模型建立的必要性。文中分析对环境科学与渗流力学交叉研究问题的深层次认识具有重要的理论价值和实际意义。     

压实黄土的气体突破压力及渗透性试验研究

生活垃圾中有机物降解会产生大量的垃圾填埋气体,如CO₂、CH₄。填埋气体在不能有效收集和排放的情况下,可能会导致填埋场覆盖层的失效或是发生气爆事故。为探究填埋覆盖层气体的突破压力与排放,采用逐步加压法对不同干密度、饱和度和围压条件下的压实黄土进行气体突破压力试验,通过压汞(MIP)试验对气体突破压力进行预测。结果表明：压实黄土在饱和状态下,气压较低时的气体排出速率很小可以忽略不计,当气压达到阈值时,气体排出速率急剧增加;气体突破压力随干密度和围压的增大而增大,与围压相比干密度对其影响更为显著。另一方面,压实黄土的气体突破压力与固有渗透率在对数坐标下具有较好的线性关系;MIP试验表明,可采用汞饱和度与入汞压力曲线出现拐点时的入汞压力对气体突破压力值进行预测。研究结果为西北黄土地区垃圾填埋场覆盖系统的优化设计提供有益见解。     

黄土–碎石毛细阻滞覆盖层储水能力实测与分析

中国西北地区气候较干旱,黄土分布广泛。就地取材采用当地的黄土作垃圾填埋场封场土质覆盖层具有技术可行性和良好的经济性。在西安江村沟垃圾填埋场建造了国内首个20m×30m大尺寸黄土–碎石毛细阻滞覆盖层现场试验基地,在基地开展了极端降雨试验。水量分配测试结果表明:总降雨量214.8 mm;坡面径流1.7 mm,占总降雨量的0.8%;土层存储(含蒸发)199.57 mm,占总降雨量的92.9%;渗漏13.53 mm,占降雨量的6.3%。基质吸力与水份运移规律分析结果表明:持续降雨条件下毛细阻滞覆盖层(900 mm)细粒土中表层土(15 cm深度以上)和底层土(85cm深度以下)的孔压(或体积含水率)均较高;底层土孔压(或体积含水率)较高是由于碎石–黄土界面间毛细阻滞效应对水份下渗的阻滞作用,这是有别于单一土层降雨入渗水份运移的显著特征。储水能力评估结果表明:极端降雨试验实测黄土–碎石毛细阻滞覆盖层有效储水量为251.95 mm。采用室内吸湿土水特征曲线评估覆盖层有效储水能力,有效储水量理论值S_(fac)为218.75 mm,实测值较理论值大15.18%,结果偏于安全。采用现场吸湿土水特征曲线评估覆盖层有效储水能力,有效储水量理论值Sfac为278.32 mm,实测值比理论值小9.47%,偏于危险。防渗设计中建议采用室内吸湿土水特征曲线。     

增压式真空预压气体运移加固机制模型试验研究

针对增压式真空预压法加固超软土过程中气体运移路径和加固作用机制认识不统一的问题，设计进行探究气体运移路径的增压式真空预压试验和增压式真空预压水平排水板试验。通过对比分析土体排水量、孔隙水压力值、沉降量、十字板剪切强度和含水率等试验结果，得到以下结论：增压式真空预压加固超软土过程中，进行注气操作后气体首先向土体表面方向运移。同时，结合注气操作时的实时孔压变化情况，分析认为注气操作提升土体排水固结效果的主要作用机制为：进行注气操作时，增压气体的上升会带动深层孔隙水向浅层运移，使深层孔隙水在浅层被排水板快速吸收并排出，以此提高深层土体加固效果和整体排水效率。     

考虑任意初始条件的均质土质覆盖层降雨入渗解析解

均质土质覆盖层作为填埋场与大气环境的隔离结构其主要功能是控制雨水入渗,近些年该类覆盖层在北美一些干旱和半干旱地区被证明是有效的。基于二维非饱和土渗流控制方程,采用可考虑土体进气值的指数函数描述土体的土水特征曲线和渗透系数曲线,使用单位梯度边界作为土质覆盖层的底部边界条件,推导出可考虑任意初始条件的降雨入渗移解析解。通过与前人试验结果比较与分析,证明了该解析解的有效性。对比分析了均质土质覆盖层底部分别取单位梯度边界、渗流审查边界和固定孔压边界对降雨入渗及渗漏量的影响,分析结果表明:与渗流审查边界和固定孔压边界相比,单位梯度边界更适合土质覆盖层的渗漏量计算。利用该解析解分析不同初始条件对累计渗漏量的影响,结果表明覆盖层累计渗漏量随其底部初始体积含水率的增加而增大。为土质覆盖层防渗漏性能评价提供了一种简单实用的计算方法。     

城市生活垃圾填埋场气压分布一维稳态分析模型

掌握填埋场气压分布是填埋气灾害控制和资源化利用的基础。提出了分层垃圾填埋体气压分布一维稳态分析模型及求解方法。该模型可分析含有给定抽气压力或给定抽气流量水平导气层的填埋体气压分布。采用该模型探讨了垃圾分层特征、封顶覆盖层下和填埋体内的高渗透性水平导气层、填埋体底部渗沥液导排系统兼作填埋气导排通道对填埋体气压分布的影响规律。通过参数分析得到以下结论：填埋体垃圾不考虑产气速率和固有渗透系数随垃圾埋深增加而减小（产气速率和固有渗透系数按埋深平均）会高估填埋体内气压;封顶覆盖层下和填埋体内设置水平导气层可有效降低填埋体内气压;填埋体底部填埋气导排通道对填埋气气压较大的深部垃圾降压效果较明显。分析结果表明,该模型可指导填埋气收集系统设计,如水平导气层位置和间距布置及抽气功率选择等。     

Organic acid transport through a partially saturated liner system beneath a landfill

A one-dimensional model was developed to investigate the transport of organic acids (commonly found in landfill leachate) through a partially saturated composite liner system beneath a landfill. Specific attention was paid to the influence of water content distribution on aqueous-phase diffusion process. Composite liner system was investigated, which was consisted of a geomembrane and a compacted clay liner underlain by three kinds of attenuation layer: sand layer, sandy clay loam layer, and clay layer. Volumetric water content profile in soil layers was obtained by Van Genuchten model, and the Millington and Quirk model was employed to describe the non-linear relationship between volumetric water content and diffusion coefficient. Three cases were analyzed and compared, i.e., totally saturated condition, unsaturated condition without considering unsaturated diffusion model, and unsaturated condition considering unsaturated diffusion model. The numerical results show that the unsaturated sand attenuation layer could serve as excellent diffusion barrier to organic contaminant due to its low water retention capacity. When the dependence of diffusion coefficient on volumetric water content is sufficiently considered, the contaminant flux decreases significantly in all the three kinds of attenuation layer. Unsaturated diffusion model capturing the relationship between water content and diffusion coefficient enables a more reasonable prediction of contaminant transport and distribution in soils.     

环境土工基本理论及工程应用

随着工业化和城市化的快速发展,各类固体废弃物产量迅速增大,地下水土污染不断加剧,人类赖以生存的环境日益恶化。岩土工程研究者力图利用岩土工程的原理和方法来研究和解决这样的环境问题,并逐步形成了岩土工程学科的一个新兴分支——环境土工。环境土工问题伴随着生化反应、物理变化和机械运动等过程,目前国内外尚未建立统一的基本理论体系。该文论述了土体的生化反应、骨架变形、孔隙水运移、溶质迁移和孔隙气运移机理,并建立了考虑生化反应-骨架变形-水气运移-溶质迁移耦合作用的模型及其控制方程,界定并明确了模型参数及测试方法;揭示了高厨余城市固体废弃物填埋场存在严重的生化降解酸化抑制、骨架弱化和液气传导相互阻滞现象,以及城市固体废弃物压缩变形和液气产生及运移、污染物迁移与土体固结相互作用、污染物击穿防污屏障及覆盖屏障防水闭气的内在机理;结合笔者研究团队近二十年的环境土工研究和工程实践积累,总结了所提出的填埋场固废降解程度、渗滤液产量、填埋气收集率、填埋体沉降与填埋场容量、填埋场边坡稳定、防污屏障服役寿命评价方法以及所研发的填埋场液气立体导排、新型防污屏障和TDR污染土勘察技术的合理性和可靠性,并给出了工程应用实例。     

考虑垃圾体成层性的渗滤液回灌运移规律

渗滤液回灌不仅能处理渗滤液、节约费用和保护环境,而且加速了填埋场稳定化,增加了产气率。以上海某填埋场四期工程为计算模型,本文考虑垃圾土沉降导致的成层性,运用SEEP/W有限元软件模拟渗滤液喷洒回灌。垃圾土在自重作用下会产生较大的沉降变形,导致垃圾土的孔隙率随深度变化,残余含水量、饱和含水量及饱和渗透系数也随之变化。在数值模拟中,以VGM(van-Genuchten-Mualem)函数描述垃圾土渗透系数与基质吸力关系,以流量边界模拟填埋场顶部、底部的渗滤液回灌和导排,分析了回灌过程中渗滤液的饱和-非饱和渗流情况,进而探讨了垃圾土成层性、回灌强度和排水流量对渗滤液运移规律的影响。     

Formulation of a Dusty Gas Model for Multi-Component Diffusion in the Gas Phase of Soil

Soil vapor extraction and bio-venting have been utilized for purification of contaminated soil or groundwater. It is necessary to predict the movement of gas phase components in soil for the design of soil vapor extraction and bio-venting systems. Though chemical substances migrate with advection and diffusion in gas phase of soil, we investigated multi-component diffusion systems in gas phase of soil. Numerical modeling for multi-component diffusion is useful to the prediction of the movement of components. A dusty gas model for multi-component diffusion systems has not so far been formulated by the Finite Element Method; furthermore it has not been applied for assessing the movement of components in the gas phase of soil. Accordingly, a dusty gas model for three gas phase components was formulated by the Finite Element Method in this study, and the concentrations of components in binary and multi-component gas systems were calculated by numerical methods developed in this study. As a result, it was found that the dusty gas model must be applied for study of diffusion in a multi-component gas system; and the study showed that the difference between molecular weights of gas phase components influenced the movement of components in the gas system.     

煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型及无因次解算

 考虑瓦斯在煤层中的解吸、放散与渗流,利用达西定律分别描述煤基质与裂隙内的瓦斯运移,以煤基质与裂隙之间的传质通量为桥梁,发展煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型,推导无因次模型,并运用有限差分法进行编程解算。结果表明：瓦斯压力、含量在裂隙内的下降速度要远大于煤基质;基质空间内瓦斯压力及含量的分布具有非均匀性及非稳态性;增大裂隙渗透性或煤层瓦斯压力,或减小煤壁表面瓦斯压力,均能导致瓦斯涌出速度的增大;煤体游离瓦斯含量对瓦斯涌出速度影响较小。结合潘一矿煤层瓦斯参数,对比模拟结果和实测数据,验证了煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型的正确性。